Контрольная работа: Экспериментальные исследования изнашивания пар трения в загрязненной рабочей среде

Таблица 2.5 Скорости изнашивания блока поршней насоса  при 6 МПа

На рис. 3 приведена экспериментальная зависимость средней скорости изнашивания блока поршней от содержания воды в масле и давления, развиваемого насосом. Кривые 1 - 5 построены методом наименьших квадратов, исходя из того, что предполагаемая функция может быть описана показательной зависимостью вида , где .

Качественный вид кривых 1 - 5 принципиально не отличается от вида зависимостей, полученных в первой серии испытаний. Скорость изнашивания поршней резко возрастает при появлении воды в масле в минимальном количестве и продолжает возрастать, но менее существенно, при . Если при изменении содержания воды от 0 до 0,5 % по кривой 1 скорость изнашивания возросла в 30 раз, то при изменении  от 0,5 до 3 % скорость изнашивания блока поршней увеличилась в 1,4 раза.

Согласно литературным данным [3, 6, 9, 19, 27] подобное увеличение износа пар трения при наличии воды в смазке может объясняться рядом причин, наиболее существенными из которых, по-видимому, следует считать коррозионно-механическое разрушение и кавитационное изнашивание. Выбор именно этих из всех рассмотренных выше причин обусловлен тем, что на поверхностях поршней насосов после испытаний нами наблюдались следы коррозии в виде пятен (при ), а также питтинг. Для оценки скорости механохимического износа был выполнен расчет по формуле (3.19) применительно к условиям нашего эксперимента. При этом оказалось, что скорость механо-химического изнашивания при 3% воды в масле составляет всего  г/ч, тогда как минимальное значение скорости изнашивания, зафиксированное в процессе эксперимента, равно  г/ч.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость скорости изнашивания поршней  (по массе) от содержания воды () и давления ()

Если учесть параболическое изменение скорости коррозии в соответствии с диффузионной кинетикой окислительных реакций, то скорость механохимического износа составит  г/ч, что меньше экспериментального ее значения на три порядка.

Визуальный осмотр поршней после испытаний в обводненном масле показал наличие пятен коррозии на их внешней поверхности, следовательно, коррозию все-таки необходимо учитывать. В работе[36] указано, что скорость коррозии низколегированной стали () под морской водой и в воздухе промышленной атмосферы примерно одинакова и составляет 0,06…0,066 мм/год. При 100 % концентрации воды скорость изнашивания блока поршней при коррозии может быть определена по следующей формуле:

,  (2.5)

где  плотность стали,  площадь поверхности поршня;  количество поршней в блоке.

Для любого содержания воды в масле скорость изнашивания блока поршней определится как

. (2.6)

Результаты расчетов скорости коррозионного изнашивания блока поршней по (2.6) при различном содержании воды в масле приводятся в табл.2.6. Для сравнения в этой же таблице приведены значения фактической скорости изнашивания блока поршней при давлении  = 5 МПа ().

Таблица 2.6 Расчетная скорость коррозии блока поршней насоса

Из таблицы 2.6 видно, что коррозионный износ становится ощутимым лишь при  = 3 % и составляет при этом около 13 % от общего износа.

Для оценки величины кавитационного изнашивания с учетом влияния абразивных частиц, содержащихся в потоке жидкости, была применена формула, предложенная С.П. Козыревым в [14]:

, (2.7)

где  процентное содержание абразива в потоке жидкости;  скорость движения жидкости.

Поскольку при испытаниях попадание абразива из внешней среды было исключено, было сделано предположение, что  в пределе равно величине убыли массы поршней. Тогда, в условиях эксперимента, скорость кавитационного изнашивания может быть определена:

, (2.8)

где  время эксперимента (испытания).

В результате расчетов по формуле (2.8) оказалось, что величина гидроабразивного изнашивания при кавитации не превышает 0,13 г/ч, что объясняется небольшой скоростью потока жидкости, которая менялась от 1,85 до 2,4 м/с. При рассмотрении причин, влияющих на износ поршневых пар в присутствии воды, необходимо также учитывать износ при трении скольжения. Однако номинальная площадь контакта рассматриваемых пар трения составляет лишь 10 % общей площади поверхности поршня. Трение скольжения классического типа осуществляется лишь при движении торцевой поверхности поршня относительно диска АПН, а также при движении поршня вдоль втулки в случае перекоса поршня. В связи с этим можно предположить, что износ при трении скольжения не может составлять значительную долю от общего износа, полученного экспериментально. Анализ профилограмм поверхности поршней, полученных после испытаний с различным содержанием воды в масле, в общем, подтверждает это предположение, так как износ вблизи торцов цилиндрической части поршней не превышает 20 % от общего износа, хотя «бочкообразность» профилей прослеживается. Следы же пластической деформации, возможной при локальном повышении температуры, наблюдаются вдоль всей поверхности поршней и не могут быть объяснены только работой сил трения скольжения. Кроме того, невозможно объяснить наличием трения тот факт, что при уменьшении нагрузки на насос (давления в напорной линии) износ поршней увеличивался.

Одновременное присутствие пузырьков воздуха (газа) в масле резко ухудшает условия эксплуатации насосов. Например, увеличение содержания воздуха от 5 до 9 % увеличивает износ в 2 раза.

Можно предположить, что при испытаниях на машине трения пары трения изнашивались бы сильнее при увеличении содержания воды с увеличением нагрузки, поскольку вязкость водно-масляной эмульсии меньше, чем вязкость чистого масла, а значит, смазывающая способность эмульсии хуже и коэффициент трения выше. При увеличении же нагрузки сплошность смазывающей пленки нарушалась бы легче, и соответственно, увеличился бы износ. Таким образом, полученные экспериментальные данные не могут быть полностью описаны имеющимися в настоящее время моделями изнашивания. На рис. 3 кривые 2, 4, а также 3 и 5, полученные при испытаниях насосов  и , показывают увеличение скорости изнашивания с уменьшением давления в напорной линии насоса. Только кривая 1 нарушает эту закономерность. Это можно объяснить меньшим содержанием воздуха в масле в этом случае, т.е. если бы содержание воздуха в масле при давлении, создаваемом насосом , равным 5 МПа, составляло около 9 %, то кривая 1 находилась бы между кривыми 3 и 5.

Рис. Экспериментальная зависимость продольной равновесной шероховатости поверхности поршней насосов () от содержания воды ()

Из литературных источников известно, что величина исходной шероховатости поверхности трения прямо пропорциональна величине последующего износа [3]. Вид экспериментальной зависимости продольной шероховатости поршней насосов от содержания воды в масле (рис. 4) подтверждает сделанный вывод о показательном характере функции скорости изнашивания, поскольку такой же характер имеет функция шероховатости. Исходная шероховатость поршней насоса  была приблизительно в три раза меньше, чем исходная шероховатость поршней насоса . Кроме того, время испытаний насоса  в первой серии экспериментов составляло 6-9 часов, тогда как время испытаний насосов  во второй серии экспериментов составляло от 30 до 100 часов. В связи с этим значения шероховатости поршней , по-видимому, в большей степени отличаются от истинных значений равновесной шероховатости, чем ее значения, полученные для поршней насосов .

Масла серии ИГП (ТУ 38101413-78), в том числе ИГП-18, по международной классификации  принадлежат к классу  и содержат антиокислительную, противоизносную, антикоррозионную и противопенную присадки. В работе [37] указывается, что в процессе эксплуатации под влиянием температуры, кислорода, воды и при каталитическом воздействии металла масла окисляются, а окисление сопровождается снижением их смазывающих и защитных свойств. Авторы указывают, что заметное влияние кислотного числа масел на износ гидромоторов и гидронасосов сказывается при его увеличении на 0,5…0,6 мг КОН/г масла, причем износ увеличивается в 2…2,5 раза при значении кислотного числа 0,94…1,2 мг КОН/г. Для выявления степени влияния окислительного износа в проведенных испытаниях были измерены значения кислотного числа масла ИГП-18 при различном содержании воды в масле гидросистемы стенда, которые приводятся в таблице 2.7. Кислотное число определялось дважды: непосредственно после стендовых испытаний и после того, как масло отстоялось в течение 6 месяцев.

Таблица 2.7 Измеренные значения кислотного числа масла ИГП-18 после стендовых испытаний

По результатам проведенных измерений видно, что кислотное число масла с увеличения содержания в нем воды после 6-месячного его отстаивания изменяется незначительно: с изменением содержания воды от 0 до 2 % увеличение кислотного числа составило 0,11, а само значение его соответствуют техническим условиям эксплуатации масел данного класса. Итак, повышение кислотности масла ИГП-18, обусловленное попаданием в него значительного количества воды (до 2 %), не может повысить износ в 30 и более раз, как это было в эксперименте. Следовательно, доля окислительного изнашивания в данных условиях, по-видимому, невелика. Отметим, что характер графической зависимости кислотного числа масла от содержания в нем воды также имеет вид степенной функции (см. рис. 5).

Рис. 5. Влияние воды, содержавшейся в масле ИГП-18, на его кислотное число

Таким образом, результаты экспериментов указывают на преобладающее значение гидроэрозионного вида изнашивания при сравнительно небольшом давлении в напорной линии насосов - от 3 до 6 МПа.

 Иллюстрацией к последствиям испытаний насосов в условиях обводненной смазки могут служить фотографии поверхности поршней, полученные с помощью микроскопа «Люмам». На рис. 6 представлена поверхность цилиндрической части поршня насоса  до проведения испытаний. На ней видны следы инструментальной обработки. На рис. 7 показана та же поверхность после испытаний в масле, загрязненном водой. Темные пятна представляют собой каверны, образовавшиеся в результате гидроэрозионного износа. На месте каверн через полгода после испытаний возникли очаги коррозии. Фрагменты профиля рабочей поверхности поршня со следами пластических деформаций представлены на рис. 8.

Рис. 6 Фрагмент поверхности поршня насоса  перед проведением испытаний

Рис. 7 Фрагмент поверхности поршня насоса  после проведения испытаний в обводненном масле

Рис. 8. Фрагменты поверхности поршня насоса  после испытаний с маслом, загрязненным водой и воздухом

Согласно предложенной модели гидроэрозионного изнашивания гидромашин в присутствии воды и воздуха, скорость изнашивания должна быть прямо пропорциональна количеству воды и воздуха в масле и площади контакта металла и рабочей жидкости, и обратно пропорциональна давлению на выходе насоса и прочности металла. Расчеты по уравнениям (3.5.64) и (3.5.78) показали удовлетворительную согласованность модели с экспериментальными данными. Из результатов расчета следует, что влажность воздуха  почти не сказывается на величине гидроэрозионного износа, который при этом на 2-5 порядков меньше, чем в случае непосредственного попадания воды в масло в минимальном количестве (например, при  = 0,01%). По расчетным данным построены графические зависимости скорости изнашивания поршней насосов  и  от содержания воды и воздуха в масле при различном давлении в гидросистеме стенда (рис. 9 - 14). На графики нанесены экспериментальные точки. Анализ графиков показал, что содержание воздуха в сравнительно небольших пределах (от 5 до 9%) увеличивает износ в среднем на 20%, а содержание воды от 0 до 0,4% увеличивает износ в 30 - 60 раз. При изменении  от 0,4 до 5% износ увеличивается в полтора с лишним раза.